DE69310940T2 - Imaging spectral apparatus with high local resolution - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkanalspektrograph und, mehr insbesondere, auf einen Spektrograph, der so optimiert ist, daß er die größtmögliche Anzahl von unabhängigen räumlichen Kanälen in der Vertikalebene und eine bescheidenere Spektralauflösung in der Horizontalebene bereitstellt.The present invention relates to a multi-channel spectrograph and, more particularly, to a spectrograph optimized to provide the largest possible number of independent spatial channels in the vertical plane and a more modest spectral resolution in the horizontal plane.
Spektrographen, und in jüngerer Zeit abtastende Monochromatoren, sind seit einiger Zeit in einer zunehmend großen Zahl von Fällen in Gebrauch. Bis ganz vor kurzem waren diese Geräte aber auf das Sammeln und Verarbeiten von Information durch einen Kanal beschränkt. Licht gelangte aus einer einzelnen Quelle in das Gerät, und das Gerät trennte das Licht physikalisch gemäß seinen Wellenlängen auf und präsentierte als Ausgangssignal ein einzelnes Spektrum, meistens in der Horizontalebene zerstreut.Spectrographs, and more recently scanning monochromators, have been in use for some time in an increasing number of cases. Until very recently, however, these devices were limited to collecting and processing information through a single channel. Light entered the device from a single source, and the device physically separated the light according to its wavelengths and presented as an output a single spectrum, usually dispersed in the horizontal plane.
Theoretisch hätte die Entwerfer der frühen Geräte, die um ein Prisma als einem zerstreuenden Element herum aufgebaut sind, nichts daran gehindert, ein Mehrkanalgerät zu schaffen, da sie aufgrund ihrer dioptrischen Eingangs- und Ausgangsoptiksysteme, die auf der Achse arbeiten, gute Abbildungseigenschaften hatten. Für jede Wellenlänge wurde derselbe Punkt des Eingangsschlitzes als ein unterschiedlicher Punkt in dem Bildfeld abgebildet. Das bot die Gelegenheit, mehrere räumlich getrennte Lichtquellen an dem Eingang zu benutzen, um mehrere unterscheidbare Spektren in der Bildebene eines einzelnen Gerätes zu erzielen. In der Praxis zwangen aber die bescheidene Empfindlichkeit der frühen Detektoren sowie die kleinen Blenden (f/16 oder weniger) dieser frühen Geräte die Entwerfer, den Durchsatz auf Kosten der räumlichen Auflösung durch Einführen des Prinzips des rechtwinkelig zu der Zerstreuungsachse plazierten Eingangsschlitzes zu verbessern.In theory, nothing would have prevented the designers of the early devices, built around a prism as a dispersive element, from creating a multi-channel device, since they had good imaging properties due to their dioptric input and output optical systems operating on the axis. For each wavelength, the same point of the input slit was imaged as a different point in the image field. This offered the opportunity to use several spatially separated light sources at the entrance to obtain several distinguishable spectra in the image plane of a single device. In practice, however, the modest sensitivity of the early detectors and the small apertures (f/16 or less) of these early devices allowed designers to improve throughput at the expense of spatial resolution by introducing the principle of the input slit placed perpendicular to the axis of dispersion.
Später, als die Reflexionsgitter eingeführt wurden, die das einfache Ausdehnen in die UV und IR-Teile des optischen Spektrums gestatteten, wurden dioptrische Qptiken durch Spiegel ersetzt, die mit Breitbandreflexionsvermögen leicht hergestellt werden können. Während dioptrische Optiken naturgemäß auf der Achse arbeiten, sind Spiegel leichter unter einem Winkel zu verwenden, was zu sehr großer astigmatischer Deformation des Bildes führt, ein Effekt der bei sehr schnellen Geräten sehr wichtig wird, die breite, offene Strahlenbündel und dicht gepackte Elemente verlangen.Later, when reflection gratings were introduced, allowing easy extension into the UV and IR parts of the optical spectrum, dioptric optics were replaced by mirrors, which can be easily manufactured with broadband reflectivity. While dioptric optics naturally operate on-axis, mirrors are easier to use at an angle, resulting in very large astigmatic deformation of the image, an effect that becomes very important in very fast devices requiring wide, open beams and densely packed elements.
Eine elegante Möglichkeit zum Lösen des Problems der astigmatischen Deformation des Bildes bestand darin, sie zu ignorieren, indem die Ebene des tangentialen Brennpunkts als Bildebene be- nutzt wurde. In dieser Konfiguration wird ein Punkt der Objektebene in eine vertikale Linie und ein vertikaler Schlitz in ein etwas längeres vertikales Bild transformiert, was die spektrale Auflösung bewahrt. Infolgedessen behälß das Gerät eine gute spektrale Auflösung auf Kosten der räumlichen Auflösung. In Fällen, in denen es lediglich darum geht, die spektralen Eigenschaften einer einzelnen Probe zu messen, hat das keine Folgen. Es gibt aber eine ständig wachsende Reihe von Verwendungszwecken, bei denen sowohl spektrale als auch räumliche Information vorteilhaft wären.An elegant way to solve the problem of astigmatic deformation of the image was to ignore it by using the plane of tangential focus as the image plane. In this configuration, a point on the object plane is transformed into a vertical line and a vertical slit into a slightly longer vertical image, preserving spectral resolution. As a result, the device retains good spectral resolution at the expense of spatial resolution. In cases where the aim is simply to measure the spectral properties of a single sample, this has no consequences. However, there is an ever-growing range of uses where both spectral and spatial information would be advantageous.
Mit dem Aufkommen der zweidimensionalen Matrizen von Detektoren mit hoher Quanteneffizienz wie z.B. modernen zweidimensionalen ladungsgekoppelten (CCD) und Ladungsinjektions (CID)-Detektoren und Lichtleitfasern zum Transport des Lichts ist es erwünscht geworden, Spektrographen als zerstreuende Mehrkanalsysteme zu benutzen, die in der Lage sind, unabhängige Spektren von unterschiedlichen Quellen zu erzeugen. Mehrspektrensysteme erfordern aber einen Spektrograph, der in der Lage ist, Licht längs einer Achse spektral zu zerstreuen und dabei die räumliche Integrität des Eingangsbildes vertikal aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten, das in einer Höhe in der Brennpunktsebene des Spektrographen erzeugte Spektrum sollte von einem Punkt in der entsprechenden Höhe an dem Eingangsschlitz stammen.With the advent of two-dimensional arrays of high quantum efficiency detectors such as modern two-dimensional charge-coupled device (CCD) and charge injection device (CID) detectors and optical fibers to transport the light, it has become desirable to use spectrographs as dispersive multi-channel systems capable of generating independent spectra from different sources. However, multi-spectrum systems require a spectrograph capable of dispersing light along a axis while maintaining the spatial integrity of the input image vertically. In other words, the spectrum generated at a height in the focal plane of the spectrograph should originate from a point at the corresponding height on the input slit.
Der Aufbau eines solchen Spektrographen stellt für Entwerfer eine Herausf6rderung dar. Herkömmliche Entwürfe leiden an Vignettierung, Astigmatismus, Koma und anderen Nebensprechquellen, die die räumliche Reinheit des resultierenden Bildes in der Brennpunktsebene zerstören. In den letzten Jahren haben Hersteller mit der Einführung von Hochleistungsspektrographen begonnen, die eine Astigmatismuskorrektur gestatten und das Feld der Mehrkanalspektroskopie öffnen. Im Jahre 1989 hat CHRO- MEX Inc., Albuquerque, New Mexico, die FF-250/FF-500-Familie von schnellen (f/4) Spektrographen eingeführt, bei denen ringförmige Spiegel statt sphärischen Spiegeln benutzt werden, um den Astigmatismus des Geräts zu korrigieren. Dieser Fortschritt gestattet, aus den Geräten Mehrkanalgeräte zu machen, die insbesondere für Mehrkanalzwecke brauchbar sind, wobei sie in der Lage bleiben, spektrale Messsungen mit derselben Auflösung wie ihre konventionelleren Gegenstücke auszuführen.The construction of such a spectrograph presents a challenge for designers. Conventional designs suffer from vignetting, astigmatism, coma and other sources of crosstalk that destroy the spatial purity of the resulting image in the focal plane. In recent years, manufacturers have begun to introduce high-performance spectrographs that allow astigmatism correction and open the field of multichannel spectroscopy. In 1989, CHROMEX Inc., Albuquerque, New Mexico, introduced the FF-250/FF-500 family of fast (f/4) spectrographs that use ring-shaped mirrors instead of spherical mirrors to correct the astigmatism of the instrument. This advancement allows the devices to be made multi-channel, particularly useful for multi-channel purposes, while remaining capable of performing spectral measurements with the same resolution as their more conventional counterparts.
Diese verbesserten Geräte bleiben Spektrographen, die hauptsächlich für eine hohe spektrale Auflösung in der horizontalen Richtung optimiert sind. Die Astigmatismuskorrektur, die durch die ringförmigen Spiegel erfolgt, erlaubt eine begrenzte Anzahl von unabhängigen räumlichen Kanälen, wahrscheinlich mehr als genug für die meisten Verwendungszwecke, sie kann aber nicht für eine hohe räumliche Auflösung sorgen, die mit einer guten Abbildung kompatibel ist. Das ist deshalb so, weil die heutigen schnellen Geräte naturgemäß einen hohen Grad an Astigmatismus haben, der nur in einem schmalen Bereich von Winkeln korrigiert werden kann. Darüber hinaus hat das Bildfeld dieser Geräte ent- wurfsbedingt einen hohen Grad an Krümmung, wodurch die räumliche Auflösung weiter begrenzt wird.These improved devices remain spectrographs optimized primarily for high spectral resolution in the horizontal direction. The astigmatism correction provided by the ring-shaped mirrors allows a limited number of independent spatial channels, probably more than enough for most uses, but it cannot provide a high spatial resolution compatible with good imaging. This is because today's fast devices naturally have a high degree of astigmatism that can only be corrected over a narrow range of angles. In addition, the field of view of these devices has a high degree of curvature by design, further limiting the spatial resolution.
Für eine zunehmende Zahl von neuen überwachungsaufgaben, bei denen eine hohe spektrale Auflösung üblicherweise nicht benötigt wird, ist es erwünscht, einen Mehrkanalspektrographen zur Verfügung zu haben, der für die höchste mögliche räumliche Auflösung in der Vertikalebene und eine bescheidenere spektrale Auflösung optimiert ist. Besonders wichtige Einsatzzwecke für ein solches Gerät sind die Fernerfassung von Erdressourcen mit hoher Auflösung, die Infrarotabbildung und die Mikroskopie.For an increasing number of new monitoring tasks, where high spectral resolution is not typically required, it is desirable to have a multichannel spectrograph optimized for the highest possible spatial resolution in the vertical plane and a more modest spectral resolution. Particularly important applications for such an instrument are high-resolution remote sensing of Earth resources, infrared imaging, and microscopy.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen schnell abbildenden Spektrographen mit hoher Auflösung zu schaffen, der speziell dafür ausgelegt ist, eine stark verbesserte räumliche Auflösung bereitzustellen, dabei aber eine ausreichende spektrale Auflösung für eine Vielfalt yon Verwendungszwecken aufrechtzuerhalten. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein abbildender Spektrograph mit hoher räumlicher Auflösung geschaffen, der eine stark verbesserte räumliche Auflösung zur Land- und Meeresfernerfassung bereitstellen wird.An object of the present invention is to provide a high resolution fast imaging spectrograph that is specifically designed to provide greatly improved spatial resolution while maintaining sufficient spectral resolution for a variety of uses. In particular, according to the present invention, a high spatial resolution imaging spectrograph is provided that will provide greatly improved spatial resolution for land and marine remote sensing.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumliche Auflösung zu schaffen, der zu einer kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsmessung der Spektralverteilungsinformation in Hunderten von Punkten einer Probe gleichzeitig in der Lage ist.Another object of the present invention is to provide a high spatial resolution imaging spectrograph capable of high speed continuous measurement of spectral distribution information at hundreds of points of a sample simultaneously.
Es ist ferner Ziel der vorliegenden Erfindung, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung zu schaffen, der leicht und kompakt ist, keinen Strombedarf hat und keine Betriebssteuerungen oder -justierungen.It is a further object of the present invention to provide an imaging spectrograph with high spatial resolution that is lightweight and compact, has no power requirements, and requires no operational controls or adjustments.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung zu schaffen, der ein Fernlichtsammeln mit Hilfe eines Lichtleitfaserkabels oder -bandes oder mittels eines herkömmlichen optischen Systems gestattet.It is a further object of the present invention to provide an imaging spectrograph with high spatial resolution that allows for long-distance light collection using an optical fiber cable or ribbon or by means of a conventional optical system.
Diese Ziele werden durch die abbildenden Spektrographen erreicht, die in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.These objects are achieved by the imaging spectrographs claimed in the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Andere Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Betriebsverfahren und die Funktionen der zugehörigen Elemente des Aufbaus und die Kombination von Teilen sowie die Einsparungen bei der Herstellung werden bei Betrachtung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die alle Teil dieser Schrift sind, deutlicher werden, wobei in den verschiedenen Figuren entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen tragen.Other objects, features and characteristics of the present invention, as well as the methods of operation and the functions of the related elements of construction and combination of parts, as well as the economies of manufacture, will become more apparent upon consideration of the following description and the appended claims with reference to the accompanying drawings, all of which form a part of this specification, in which corresponding parts in the several figures bear like reference numerals.
Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung des Bildfeldes, gebildet durch Kanäle von hoher spektraler, aber begrenzter räumlicher Information, angewandt in einem abbildenden Spektrographen hoher Auflösung der jüngsten Generation, wie zum Beispiel der CHROMEX Geräte;Fig. 1 is a pictorial representation of the image field formed by channels of high spectral but limited spatial information, applied in a high resolution imaging spectrograph of the latest generation, such as the CHROMEX devices;
Fig. 2 ist eine bildliche Darstellung des Bildfeldes, gebildet durch Kanäle von hoher räumlicher, aber begrenzter spektraler Information, wie es sich in einem mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung findet;Fig. 2 is a pictorial representation of the image field formed by channels of high spatial but limited spectral information as found in a high spatial resolution imaging spectrograph according to the present invention;
Fig. 3 ist eine Ansicht des optischen Strahlenganges quer zur Achse bei einer bevorzugten Ausführungsform eines mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung;Fig. 3 is a cross-axis optical path view of a preferred embodiment of a high spatial resolution spectrograph according to the present invention;
Fig. 4 ist eine Ansicht des optischen Strahlenganges quer zur Achse bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform eines mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung;Fig. 4 is a view of the optical path transverse to the axis in an alternative preferred embodiment of a high spatial resolution imaging spectrograph according to the present invention;
Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung eines bedeutsamen kommerziellen Anwendungsfalles des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfin- dung, die ein erdwissenschaftliches Fernabbildungssystem zeigt, das einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung und ein mit dem Spektrographen mittels eines Lichtleitfaserbandes verbundenes Teleskop aufweist;Fig. 5 is a pictorial representation of a significant commercial application of the high spatial resolution imaging spectrograph of the present invention, showing an earth science remote imaging system having a high spatial resolution imaging spectrograph and a telescope connected to the spectrograph by an optical fiber ribbon;
Fig. 6 ist eine Vorderansicht eines Kollimationsspiegels, die die Plazierung einer optischen Maske vor dem Spiegel zeigt; undFig. 6 is a front view of a collimating mirror showing the placement of an optical mask in front of the mirror; and
Fig. 7 ist eine aufgebrochene Schnittansicht des Spiegels nach Fig. 6, die weiter die Plazierung einer Maske vor dem Spiegel zeigt.Fig. 7 is a broken away sectional view of the mirror of Fig. 6, further showing the placement of a mask in front of the mirror.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind moderne Mehrkanalspektrographen mit hoher Auflösung dafür ausgelegt, die größte mögliche Anzahl von unabhängigen spektralen Kanälen in der horizontalen Richtung und nur eine begrenzte räumliche Auflösung in der Vertikalen bereitzustellen. Es ist bei solchen Spektrographen unmöglich, eine hohe räumliche Auflösung bereitzustellen, weil die modernen schnellen Geräte einen hohen Gräd an Astigmatismus haben, der nur in einem schmalen Bereich von Winkeln ausreichend korrigiert werden kann. Darüber hinaus hat das Bildfeld dieser Geräte entwurf sbedingt einen hohen Grad an Krümmung, wodurch ihre räumliche Auflösung weiter begrenzt wird. Üblicherweise können bei solchen Geräten 500 Spektralkanäle in der Ausgangsbrennpunktsebene des Spektrographen erzielt werden. Jeder derartige Spektralkanal wird in maximal 40 räumliche Kanäle über einem Wellenlängebereich aufgelöst, der durch das benutzte Gitter festgelegt ist.As shown in Fig. 1, modern high-resolution multichannel spectrographs are designed to provide the largest possible number of independent spectral channels in the horizontal direction and only a limited spatial resolution in the vertical. It is impossible to provide high spatial resolution in such spectrographs because the modern fast instruments have a high degree of astigmatism that can only be adequately corrected in a narrow range of angles. In addition, the field of view of these instruments has a high degree of curvature by design, which further limits their spatial resolution. Typically, 500 spectral channels can be achieved in such instruments in the output focal plane of the spectrograph. Each such spectral channel is resolved into a maximum of 40 spatial channels over a wavelength range determined by the grating used.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sorgt ein abbildender Spektrograph mit hoher räumlicher Auflösung nach der vorliegenden Erfindung für die höchste mögliche räumliche Auflösung in der Vertikalebene auf Kosten einer bescheideneren spektralen Auflösung. Bei einem Gerät nach der vorliegenden Erfindung können 400 bis 1000 räumliche Kanäle in der Ausgangsbrennpunktsebene des Spektrographen erzielt werden. Jeder derartige räumliche Kanal wird in 10.0 spektrale Kanäle über einem Wellenlängebereich von beispielsweise 400-800 nm aufgelöst.As shown in Fig. 2, a high spatial resolution imaging spectrograph according to the present invention provides the highest possible spatial resolution in the vertical plane at the expense of a more modest spectral resolution. In a device according to the present invention, 400 to 1000 spatial channels can be achieved in the output focal plane of the spectrograph. Each such spatial channel is resolved into 10,0 spectral channels over a wavelength range of, for example, 400-800 nm.
Die situation läßt sich ungefähr so ausdrücken, daß ein optisches System, das auf einem bestimmten Satz von Bauteilen basiert und einen bestimmten Durchsatz liefert, nicht mehr als eine bestimmte Zahl von Informationskanälen übertragen kann. Diese Zahl ist wegen unterschiedlicher Aberrationen kleiner als das, was die Beugung letztlich gestatten würde. Die Informationskanäle können so angeördnet sein, daß entweder die horizontale oder spektrale Richtung privilegiert wird (wie es bei modernen und herkömmlichen Spektrographen der Fall ist) oder die vertikale oder räumliche Richtung (wie es bei einem Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung der Fall ist).The situation can be roughly expressed as follows: an optical system based on a certain set of components and providing a certain throughput cannot transmit more than a certain number of information channels. This number is smaller than what diffraction would ultimately allow due to different aberrations. The information channels can be arranged in such a way that either the horizontal or spectral direction is privileged (as is the case with modern and conventional spectrographs) or the vertical or spatial direction (as is the case with a spectrograph according to the present invention).
Ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Gezeigt ist eine schemätische Darstellung des Strahlenganges eines f/4-Geräts, das in der Lage ist, 400 räumliche Kanäle und 100 spektrale Kanäle über einem Wellenlängebereich von 400 bis 800 nm zu liefern.A high spatial resolution imaging spectrograph as provided in accordance with the present invention is shown in Figure 3. Shown is a schematic representation of the optical path of an f/4 device capable of providing 400 spatial channels and 100 spectral channels over a wavelength range of 400 to 800 nm.
Ein kollimierender Spiegel 10 und ein fokussierender Spiegel 12 sind dargestellt, die jeweils an dem Unterteil des Spektrographen dauerhaft befestigt sind. Die Spiegel sind herkömmliche sphärische Spiegel mit einem Durchmesser von 110 mm und einer Brennweite von 250 mm, die einem ebenen Beugungsgitter 14 zugewandt sind. Das Gitter ist an dem Unterteil des Spektrographen ebenfalls dauerhaft befestigt und unter einem spitzen Winkel θ gegen die Senkrechte zu der optischen Achse geneigt ist. Der Winkel θ ist etwas von dem Gitter abhängig, das so ausgewählt wird, daß nicht zu weit entfernt von der Littrow-Konfiguration gearbeitet wird, die den maximalen Durchsatz gestattet. Üblicherweise wird θ in dem Bereich von 5 bis 35 Grad liegen, je nach der Rillendichte des Gitters. Das Gitter 14 hat eine Größe von etwa 60 x 60 mm. Ein langgestreckter Schlitz 16 mit einer Größe von 4 x 20 mm ist ungefähr in dem Zentrum des Gitters 14 eingeschnitten, was der Lichtquelle 18 gestattet, Licht durch den Schlitz 16 und auf den Kollimationsspiegel 10 gelangen zu lassen. Die Lichtquelle 18 ist in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 10 und in einem Punkt plaziert, wo Strahlung den Kollimationsspiegel beleuchten kann.A collimating mirror 10 and a focusing mirror 12 are shown, each permanently attached to the base of the spectrograph. The mirrors are conventional spherical mirrors with a diameter of 110 mm and a focal length of 250 mm, facing a plane diffraction grating 14. The grating is also permanently attached to the base of the spectrograph and is inclined at an acute angle θ to the perpendicular to the optical axis. The Angle θ is somewhat dependent on the grating, which is selected so as not to operate too far from the Littrow configuration which allows maximum throughput. Typically, θ will be in the range of 5 to 35 degrees, depending on the groove density of the grating. The grating 14 has a size of approximately 60 x 60 mm. An elongated slit 16 having a size of 4 x 20 mm is cut approximately in the center of the grating 14, allowing the light source 18 to pass light through the slit 16 and onto the collimating mirror 10. The light source 18 is placed at the focal point of the collimating mirror 10 and at a point where radiation can illuminate the collimating mirror.
Ein Umlenkspiegel 20 ist ein ebener Spiegel mit einer Größe von 10 x 20 mm, der ebenfalls an dem Unterteil des Spektrographen befestigt ist und so positioniert ist, daß er Licht von dem Brennpunkt des fokussierenden Spiegels 12 auf einen Kameraspiegel 22 reflektiert. Der Umlenkspiegel ist so nahe wie möglich bei dem langgestreckten Schlitz 16 positioniert, so daß er ein Bild empfängt, das so nahe wie möglich bei dem Objekt ist. Diese Plazierung des Umlenkspiegels gestattet den sphärischen Spiegeln, "fast auf der Achse" in einem Winkelbereich zu arbeiten, wo winkelabhängige Aberrationen, insbesondere Astigmatismus, vernachlässigbar sind.A turning mirror 20 is a 10 x 20 mm planar mirror also attached to the base of the spectrograph and positioned to reflect light from the focal point of the focusing mirror 12 onto a camera mirror 22. The turning mirror is positioned as close as possible to the elongated slit 16 so that it receives an image that is as close to the object as possible. This placement of the turning mirror allows the spherical mirrors to operate "almost on axis" in an angular range where angle-dependent aberrations, particularly astigmatism, are negligible.
Der Kameraspiegel 22 ist ein herkömmlicher sphärischer Spiegel mit einem Durchmesser von 110 mm und einer Brennweite von 150 mm, der ein endgültiges Bild 25 mm außerhalb des Gerätegehäuses auf einen Detektor 24 fokussiert. Wie die anderen Gerätebauteile ist auch der Kameraspiegel auf dem Unterteil des Spektrographen befestigt und arbeitet "fast auf der Achse".The camera mirror 22 is a conventional spherical mirror with a diameter of 110 mm and a focal length of 150 mm, which focuses a final image 25 mm outside the instrument housing onto a detector 24. Like the other instrument components, the camera mirror is mounted on the base of the spectrograph and operates "almost on axis".
Die Lichtquelle für das Gerät wird vorzugsweise durch ein Lichtleitfaserband mit einzelnen Faserdurchmessern, die üblicherweise in einem Bereich von 7-250 µm liegen, gebildet. Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von 50 µm sorgen für eine gute räumliche Auflösung und für allgemein akzeptable Lichtwerte. Lichtleitfasern großen Durchmessers liefern mehr Licht, aber auf Kosten von geringerer Auflösung Fasern kleinen Durchmessers begrenzen die Anzahl der Photonen, die sich durch die Faser bewegen, obgleich mehrere Schichten von Fasern kleineren Durchmessers (7-20 µm) ebenfalls akzeptabel sind. 400 Fasern können jeweils Licht durch den langgestreckten Schlitz 16 in dem Gitter 14 übertragen, was gestattet, 400 Datenkanäle durch das Gerät abzubilden.The light source for the device is preferably formed by an optical fiber ribbon with individual fiber diameters that are usually in the range of 7-250 µm. Optical fibers with a diameter of 50 µm provide good spatial resolution and generally acceptable light values. Optical fibers with a large diameter provide more light, but at the expense of lower resolution Small diameter fibers limit the number of photons traveling through the fiber, although multiple layers of smaller diameter fibers (7-20 µm) are also acceptable. 400 fibers can each transmit light through the elongated slot 16 in the grating 14, allowing 400 data channels to be imaged by the device.
Der Detektor 24 wird üblicherweise eine zweidimensionale CCD- oder CID-Detektormatrix sein, die gewöhnlich die Fähigkeit hat&sub1; 1028 x 516 Pixel aufzulösen. Diese Vorrichtungen gestatten die gleichzeitige Messung der spektralen Verteilung eines räumlichen Profils. Das Ausgangssignal des Detektors wird üblicherweise über einen RS-232-Busverbinder zu einem Detektorregler und dann weiter zu einem Computer zur Datenspeicherung und - analyse übertragen. Moderne Detektoren bieten volle Programmierbarkeit in zwei Dimensionen, geringes Rauschen, hohe Quanteneffizienz, hohen Dynamikbereich und annehmbare Lesegeschwindigkeiten. Außerdem kann die Konfiguration der Detektoren durch Software geändert werden, was bei einem Mehrkanalspektrographen eine wichtige Forderung ist. Das ist insbesondere bei CID-Detektoren der Fall, wo einzelne Pixels adressierbar sind.The detector 24 will typically be a two-dimensional CCD or CID detector array, usually capable of resolving 1028 x 516 pixels. These devices allow the spectral distribution of a spatial profile to be measured simultaneously. The output of the detector is usually transmitted via an RS-232 bus connector to a detector controller and then on to a computer for data storage and analysis. Modern detectors offer full programmability in two dimensions, low noise, high quantum efficiency, high dynamic range and acceptable read speeds. In addition, the configuration of the detectors can be changed by software, which is an important requirement in a multi-channel spectrograph. This is particularly the case with CID detectors where individual pixels are addressable.
Der mit hoher räumlicher Auflösung abbildende Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung verlangt keine Stromzufuhr, hat, keine bewegten Teile und ist vollkommen passiv, denn er hat keine Einrichtungen zur Betriebssteuerung oder -justierung. Die verschiedenen Bauteile können in einen Gerätgehäuse vereinigt werden, das eine Grundfläche von 0,1 m² (1,1 Quadratfuß) und ein Volumen von weniger als 0,0198 m³ (0,7 Kubikfuß) hat. Das Gesamtgewicht des Systems beträgt ungefähr 10 Pfund. In Fällen, in denen zusätzliche Kanäle an räumlicher Auflösung verlangt werden, ist das Gerät, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, nach oben und nach unten auf die gewünschte Größe skalierbar.The high spatial resolution imaging spectrograph of the present invention requires no power, has no moving parts, and is completely passive, having no means of controlling or adjusting its operation. The various components can be assembled into an instrument housing having a footprint of 1.1 square feet (0.1 m²) and a volume of less than 0.7 cubic feet (0.0198 m³). The total weight of the system is approximately 10 pounds. In cases where additional channels of spatial resolution are required, the instrument is scalable up and down to the desired size, as shown in Fig. 3.
Im Gebrauch wird dann ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung so ausgewählt, daß er mit der in dem betreffenden Fall verlangten räumlichen Auflösung kompatibel ist. Licht von dem (den) zu analysierenden Objekt (Objekten) wird zu dem Gerät über ein Lichtleitfaserband übertragen, das in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 10 plaziert ist. Licht aus den einzelnen Fasern geht durch den langgestreckten Schlitz 16 in dem Gitter 14 hindurch und fällt auf den Kollimationsspiegel 10, der das Licht in pärallelen Bündeln auf das Gitter 14 reflektiert. Licht, welches durch das Gitter gebeugt wird, wird durch den fokussierenden Spiegel 12 gesammelt, der das Licht so nahe wie möglich bei dem ankommenden Licht aus dem Objekt und auf den Umlenkspiegel 20 fokussiert. Das Licht gelangt dann auf den Kameraspiegel 22, der das Bild anschließend in der Ebene eines Detektors 24 fokussiert.In use, a high spatial resolution spectrograph according to the present invention is then selected to be compatible with the spatial resolution required in the particular case. resolution. Light from the object(s) to be analyzed is transmitted to the instrument via an optical fiber ribbon placed at the focal point of the collimating mirror 10. Light from the individual fibers passes through the elongated slot 16 in the grating 14 and is incident on the collimating mirror 10, which reflects the light in parallel beams onto the grating 14. Light diffracted by the grating is collected by the focusing mirror 12, which focuses the light as close as possible to the incoming light from the object and onto the turning mirror 20. The light then passes to the camera mirror 22, which subsequently focuses the image in the plane of a detector 24.
Bei diesem Entwurf ist der Winkel zwischen ankommenden und abgehenden Strahlen auf dem Kollimationsspiegel 10 und dem Fokussierspiegel 12 durch die Größe des Umlenkspiegels 20 begrenzt. Die Größe des Umlenkspiegels wiederum wird durch die verlangte spektrale Auflösung festgelegt. Je kleiner die Querabmessung des Umlenkspiegels ist, umso kleiner ist die Zahl der verfügbaren unabhängigen Kanäle von spektraler Information und umso kleiner ist auch der Astigmatismus, der durch sphärische Spiegel hervorgerufen wird, die etwas achsenversetzt arbeiten, und daher umso höher die räumliche Auflösung des Geräts.In this design, the angle between incoming and outgoing rays on the collimating mirror 10 and the focusing mirror 12 is limited by the size of the deflecting mirror 20. The size of the deflecting mirror, in turn, is determined by the required spectral resolution. The smaller the transverse dimension of the deflecting mirror, the smaller the number of independent channels of spectral information available and the smaller the astigmatism caused by spherical mirrors operating slightly off-axis and therefore the higher the spatial resolution of the device.
Gemäß Fig. 4, auf die nun Bezug genommen wird, kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph mit einem Kombinationsspiegel 26 versehen werden, der sowohl als ein Kollimationsspiegel als auch als ein Fokussierspiegel dient. Dieser Spiegel und die anderen Bauteile des Geräts gleichen den oben in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen, obgleich in dieser Ausführungsform das Gitter sehr nahe bei der Littrow-Konfiguration arbeitet. Ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph ist, wie weiter oben erläutert, in der spektralen Auflösung oder im Durchsatz begrenzt, und dieser Entwurf optimiert den Durchsatz. Infolgedessen kann das Gerät unter Verwendung eines ebenen Beugungsgitters mit geringer Zerstreuung, beispielsweise eines 50-g/mm-Gitters, zufriedenstellend arbeiten. Bei Verwendung eines solchen Gitters mit geringer Zerstreuung werden die aufeinanderfolgenden Ordnungen des Gitters nahe bei normal sein, was gestattet, die Funktionen, die durch den Kollimier- und den Fokussierspiegel erfüllt werden, in einem Kombinationsspiegel 26 zu vereinigen. Die Verwendung eines Kombinationsspiegels gestattet, das Gitter 14 fast rechtwinkelig zu der optischen Achse des Geräts zu positionieren, was eine günstige Konfiguration für das Hindurchleiten von Licht durch das Gitter ist. Der Strahlengang für ein Kombinationsspiegelsystem ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Kombinationsspiegelentwurf für einen mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen ist speziell für Verwendungszwecke geeignet, wo der Bedarf an spektraler Auflösung gering ist.Referring now to Fig. 4, in another preferred embodiment of the invention, a high spatial resolution spectrograph may be provided with a combination mirror 26 which serves as both a collimating mirror and a focusing mirror. This mirror and the other components of the device are similar to those described above in connection with Fig. 3, although in this embodiment the grating operates very close to the Littrow configuration. A high spatial resolution spectrograph is limited in spectral resolution or throughput, as discussed above, and this design optimizes throughput. As a result, the device can be constructed using a low dispersion plane diffraction grating, for example a 50 g/mm grating, will work satisfactorily. Using such a low dispersion grating, the successive orders of the grating will be close to normal, allowing the functions performed by the collimating and focusing mirrors to be combined in a combination mirror 26. The use of a combination mirror allows the grating 14 to be positioned almost perpendicular to the optical axis of the device, which is a convenient configuration for passing light through the grating. The optical path for a combination mirror system is shown in Fig. 4. A combination mirror design for a high spatial resolution imaging spectrograph is particularly suited to applications where the need for spectral resolution is low.
In Fig. 5, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein bedeutsamer kommerzieller Verwendungszweck des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung in Form eines erdwissenschaftlichen Fernabbildungssystems dargestellt. Ein reflektierendes Teleskop 28 herkömmlichen Entwurfes ist gezeigt, wobei ein Lichtleitfaserband 30 in dem primären Brennpunkt 32 eines primären Spiegels 34 von 20,32 cm (8 Zoll) vertikal befestigt ist. Das Lichtleitfaserband 30 besteht z.B. aus 400 Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von 50 µm, die aneinander befestigt sind, um ein vertikales Band zu bilden, das in das Gehäuse 36 des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen eingeführt und in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels plaziert wird. Die Verwendung eines Lichtleitfaserbandes gestattet das mechanische Entkoppeln der beiden Geräte, was den Entwurf und die Verwendung des Systems flexibel macht.Referring now to Fig. 5, a significant commercial application of the high spatial resolution spectrograph of the present invention is illustrated in the form of a remote earth science imaging system. A reflecting telescope 28 of conventional design is shown with an optical fiber ribbon 30 vertically mounted at the primary focus 32 of a 20.32 cm (8 inch) primary mirror 34. The optical fiber ribbon 30 consists, for example, of 400 50 µm diameter optical fibers secured together to form a vertical ribbon which is inserted into the housing 36 of the high spatial resolution spectrograph and placed at the focus of the collimating mirror. The use of an optical fiber ribbon allows the mechanical decoupling of the two devices, making the design and use of the system flexible.
Die kompakte Größe und das geringe Gewicht des erdwissenschaftlichen Fernabbildungssystems gestattet dessen Verwendung in Satelliten oder Flugzeugen für terrestrische und ozeanographische Fernabbildungsforschung. Weiter ergibt die Verwendung eines flexiblen Lichtleitfaserbandes zwischen dem Spektrographen und dem Teleskop ein weiches Verbindungsglied zwischen den Geräten, was ihre Plazierung in dem engen Raum innerhalb eines Flugzeuges oder eines Satelliten erleichtert.The compact size and light weight of the Earth Science Remote Imaging System allows its use in satellites or aircraft for terrestrial and oceanographic remote imaging research. Furthermore, the use of a flexible optical fiber ribbon between the spectrograph and the telescope provides a soft link between the devices, which facilitates their placement in the confined space inside an aircraft or satellite.
Im Gebrauch bildet dann ein im Flugzeug oder im, Satelliten untergebrachtes System einen langgestreckten Bereich der Erde oder des Meeres längs der vertikalen Richtung des Gerätes ab, um eine Analyse von Merkmalen an der Oberfläche mit hoher Auflösung zu erreichen. Spektraldaten werden dann für jeden unabhängigen räumlichen Kanal in einer Zeit gesammelt, die kurz genug ist, um die natürliche Bewegung des Trägers in der Richtung rechtwinkelig zu dem Bereich als eine Abtastvorrichtung auszunutzen.In use, an aircraft or satellite-borne system then images an elongated region of the earth or sea along the vertical direction of the device to achieve high resolution analysis of surface features. Spectral data are then collected for each independent spatial channel in a time short enough to exploit the natural motion of the wearer in the direction perpendicular to the region as a scanning device.
Schließlich zeigen die Fig. 6 und 7, auf die nun Bezug genommen wird, eine Einrichtung zum Verhindern von Streulicht innerhalb eines mit hoher räumlicher Äuflösung abbildenden Spektrographen. Eine optische Maske 38 ist vor einem Kollimationsspiegel 10. öder einem Kombinationsspiegel 26 in der allgemeinen Form des Umlenkspiegels 20 positioniert gezeigt. Die Maske wird vor dem Spiegel sorgfältig positioniert, um Licht zu unterdrücken, das bei dem ersten Gang des Lichts von dem Kollimationsspiegel oder dem Kombinationsspiegel zu dem Gitter auf den Umlenkspiegel fallen würde. Die Maske ist mit einem nichtreflektierenden Überzug versehen, um Licht zu reduzieren, das auf den Umlenkspiegel fällt. Statt des Hinzufügens einer Maske, wie es dargestellt ist, kann derselbe Effekt erzielt werden, indem ein Bereich des Kollimationsspiegels oder des Kombinationsspiegels mit einem nichtreflektierenden Überzug versehen wird oder indem die Oberfläche des Spiegels geätzt wird.Finally, referring now to Figures 6 and 7, there is shown a means for preventing stray light within a high spatial resolution imaging spectrograph. An optical mask 38 is shown positioned in front of a collimating mirror 10 or a combination mirror 26 in the general form of the turning mirror 20. The mask is carefully positioned in front of the mirror to suppress light that would strike the turning mirror on the first pass of light from the collimating mirror or combination mirror to the grating. The mask is provided with a non-reflective coating to reduce light striking the turning mirror. Instead of adding a mask as shown, the same effect can be achieved by providing a region of the collimating mirror or combination mirror with a non-reflective coating or by etching the surface of the mirror.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwartig als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen angesehen wird, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, sondern soll, im Gegenteil, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche einschließen.While the invention has been described in connection with what are presently considered to be the most practical and preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments described, but, on the contrary, is intended to include various modifications and equivalent arrangements within the scope of the appended claims.
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1993
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006045624A1 (en) * | 2006-09-27 | 2008-04-03 | Giesecke & Devrient Gmbh | Device for optically examining security documents, has detection region, in which a security document is located during the examination, and spectrographic device, and device has spatially dispersing optical device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5305082A (en) | 1994-04-19 |
| EP0551241A1 (en) | 1993-07-14 |
| DE69310940D1 (en) | 1997-07-03 |
| CA2086864C (en) | 1999-11-30 |
| CA2086864A1 (en) | 1993-07-09 |
| EP0551241B1 (en) | 1997-05-28 |
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